JP2005183637A - 半導体装置及び半導体装置に用いられる電極部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 導電層の上面に半導体素子が搭載された半導体装置において、半導体素子と導電層との通電性及び放熱性を確保しながら、充分な熱応力緩和作用を発揮する。
【解決手段】 本発明の半導体装置は、半導体素子１２と、半導体素子１２が搭載される導電層１８と、半導体素子１２と導電層１８との間に介装され、半導体素子１２と導電層１８とを接続する複数の導電性の線材１６とを備える。各線材１６は、導電層１８に対して林立した状態となるように導電層１８に接合され、その先端に半導体素子１２が接合されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体素子を導電層上に搭載する半導体装置に関し、詳しくは、半導体素子等の発熱によって半導体素子と導電層とを接合する接合部（典型的にはハンダ層）に発生する熱応力を緩和する技術に関する。

半導体素子を導電層上に搭載する半導体装置では、半導体素子と導電層の線膨張係数の相違から、半導体素子と導電層とを接合する接合部に熱応力が発生する。特に、半導体素子が電力変換装置（例えば、インバータ装置等）に用いられるパワー素子である場合は、その発熱量が大きく、接合部に発生する熱応力を緩和することが重要な課題となっている。このため、従来から半導体素子と導電層との接合部に発生する熱応力を緩和するための技術が開発されている（特許文献１）。
特許文献１に記載の半導体装置では、半導体素子と導電層との間に応力緩衝板が配設される。そして、応力緩衝板の線膨張係数は、導電層の線膨張係数と半導体素子の線膨張係数の間の値とされる。したがって、半導体素子が発熱して半導体素子、応力緩衝板及び導電層の温度が上昇すると、応力緩衝板の変形量は半導体素子の変形量と導電層の変形量の中間の値となり、接合部に発生する熱応力を緩和する。
特開２００２−２３１８８３号公報

特許文献１の技術では、半導体素子と導電層との間に配設された応力緩衝板は、その線膨張係数が半導体素子の線膨張係数と導電層の線膨張係数の間の値とならなければならない。このため、応力緩衝板として用いることができる材料が限定されてしまうという問題があった（特許文献１では、応力緩衝板にニッケル金属を用いている）。特に、半導体素子と導電層とを接続する接続部には、導電層から半導体素子への通電性を確保する必要があるが、特許文献１の技術では、線膨張係数の制約があるために通電性を犠牲にしなければならなかった。

本発明は上述した実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、線膨張係数に関係なく最適な材料によって導電層と半導体素子とを接続することができ、かつ、充分な熱応力緩和作用を発揮することができる半導体装置を提供することである。

上述した課題を解決するために創作された本発明の半導体装置は、半導体素子と、半導体素子が搭載される導電層と、半導体素子と導電層との間に介装され、半導体素子と導電層とを接続する複数の導電性の線材とを備える。そして、各線材は導電層表面に林立した状態となるようにその基端が導電層表面に接合されると共に、その先端に半導体素子の裏面が接合されている（手段１）。
（手段１に記載の半導体装置の作用と効果） この半導体装置では、導電層の表面に複数の線材が林立した状態とされ、その先端に半導体素子が接合される。したがって、半導体素子と導電層の線膨張係数の差による変形量の相違は、線材の撓みによって吸収される。このため、半導体素子と線材との接合部、及び、線材と導電層との接合部に作用する熱応力を緩和することができる。また、線材は導電層の表面に立った状態とされているため、温度変化によって線材が伸縮しても、その伸縮が接合部に生じる熱応力に影響を与えることを防止している。したがって、線膨張係数に関係なく線材の材料を選択することができる。

上記半導体装置においては、隣接する線材間には隙間が形成されていることが好ましい（手段２）。
（手段２に記載の半導体装置の作用と効果） このような構成によると、線材間に隙間があるため線材が撓み易い。このため、半導体素子と導電層の接合部に生じる熱応力を効果的に低減することができる。

また、本発明は、半導体素子と導電層とを接続する新たな電極部材を提供する。すなわち、本発明の電極部材は、半導体素子と導電層とを接続する電極部材であって、複数の線材と、それら線材をその軸線方向が略同一となるように保持する保持部と、を備え、各線材の断面積が半導体素子の裏面の面積より小さくされている（手段３）。
（手段３に記載の電極部材の作用と効果） この電極部材を用いて半導体素子と導電層とを接続すると、手段１に記載の半導体装置と同様の作用効果を得ることができる。

以下、本発明を具現化した一実施形態に係る半導体装置について図面を参照して説明する。図１は本実施形態に係る半導体装置の斜視図であり、図２は図１に示す半導体装置を部材毎に分解して示す分解斜視図である。図１，２に示すように本実施形態の半導体装置は、半導体素子１２と、半導体素子１２を搭載する電極板１８と、半導体素子１２と電極板１８を接続する線材電極１４を備える。

半導体素子１２は、インバータ装置等の電力変換装置に用いられるパワー素子である。パワー素子としては、例えば、ＩＧＢＴやダイオード等のスイッチング素子がある。パワー素子である半導体素子１２には大電流が流れるため、その接合面（素子の裏面）の面積が通常の半導体素子より大きくなっている（本実施形態の半導体素子１２では、一辺の長さが１０ｍｍ程度とされている）。なお、半導体素子１２の線膨張係数は約４μｍ／℃となっている。

電極板１８は、その表面にバスバー（図示省略）が接合され、その裏面に絶縁層を介して放熱器（図示省略）が固定される。したがって、バスバーから電極板１８及び線材電極１４を介して半導体素子１２に電流が流れ、また、半導体素子１２で発生する熱は線材電極１４及び電極板１８を介して放熱器から放熱される。このため、電極板１８及び線材電極１４には、放熱性（熱伝導率が高いこと）と通電性（電気抵抗が小さいこと）が要求される。本実施形態では、熱伝導率が高く、かつ、電気抵抗が小さい銅を電極板１８に用いている。ただし、銅の線膨張係数は約１６．５μｍ／℃と大きく、半導体素子１２の線膨張係数約４μｍ／℃と大きく相違することとなる。

線材電極１４は、多数の線材１６によって構成される。各線材１６は、その軸線方向が電極板１８に略垂直となり、かつ、各線材１６の軸線方向が平行となるように、その基端が電極板１８にハンダ接合されている。線材１６が電極板１８に接合された状態では、線材１６が電極板１８の表面に林立した状態となる。これら線材１６の先端には半導体素子１２の裏面がハンダ接合されている。線材１６と電極板１８を接合するハンダ層２２、並びに、線材１６と半導体素子１２とを接合するハンダ層２０には、Ｓｎ−Ｐｂ，Ｓｎ−Ａｇ，Ｓｎ−Ａｇ−Ｃｕ等の合金が用いられ、その線膨張係数は２３．５μｍ／℃となる。なお、線材１６の外周面には樹脂等が被覆され、ハンダ金属が線材１６内に浸透しないようになっている。また、線材電極１４は、電極板１８と同様、放熱性と通電性が要求されるため、線材１６には、熱伝導率が高く、かつ、電気抵抗が小さい銅線を用いている。

ここで、線材１６の断面積（すなわち、半導体素子１２との接合面積）は、半導体素子１２の裏面の面積と比較して充分に小さくされている。本実施形態では、半導体素子１２の一辺が約１０ｍｍ程度であるのに対して、線材１６の線径は１０〜５０μｍとされる。線材１６の線径を１０〜５０μｍとすることで、線材１６が撓み易くなり、また、線材１６間に形成される隙間が小さくなるため、線材電極１４の線積率を向上することができる。
また、（線材１６の線長）／（線材１６の線径）の値は２０以上とされている。アスペクト比を大きくすることで、線材１６が撓み易くなり、熱応力の緩和作用を大きくすることができる。本実施形態では、線材１６の線径を１０〜５０μｍとしたことに対応して、線材１６の線長は１ｍｍ以上の長さとしている。ただし、線材１６の線長が長くなりすぎると、半導体素子１２と電極板１８との距離が離れ放熱性が悪化するため、線材１６の線長は５ｍｍ以下とすることが好ましい。
また、線材電極１４の線積率は６０％以上とされている。線材電極１４の線積率を６０％以上とすることで、半導体素子１２と電極板１８との通電性を確保でき、また、半導体素子１２から電極板１８への放熱性を確保することができる。なお、線積率が９０％を越えると、線材１６同士が接触し変形し難くなるため、線積率は９０％以下とすることが好ましい。
なお、線材電極１４を構成する各線材１６は、その軸線方向に垂直な断面内において規則的に配置される。線材１６を規則的に配置することで、半導体素子１２の接合面全体を均一に冷却することができる。また、線材１６を規則的に配置する際に、隣接する線材１６間に隙間を設けることが好ましい。本実施形態では、線材１６の線径を１０〜５０μｍとしたことに対応して、線材１６間の隙間を２μｍ程度設けている。これによって、熱応力によって線材１６が変形する際に、隣接する線材１６との接触が生じ難くなり、その変形を妨げられることが防止される。

上述した半導体装置の熱応力緩和作用について図３〜５を参照して説明する。図３は半導体装置が常温（２０℃）の場合の半導体装置の状態を模式的に示す図であり、図４は半導体装置が低温（−４０℃）の場合の半導体装置の状態を模式的に示す図であり、図５は半導体装置が高温（１５０℃）の場合の半導体装置の状態を模式的に示す図である。
図３に示すように、半導体装置が常温の場合は、線材電極１４の各線材１６は電極板１８（半導体素子１２）に略垂直となり、ハンダ層２０，２２に熱応力は発生していない。
一方、半導体装置が低温（−４０℃）の場合は、線膨張係数の違いから、半導体素子１２の収縮量は小さく、電極板１８の収縮量は大きい。このため、図４に示すように、線材電極１４の各線材１６は上に拡がった形状となり、ハンダ層２０，２２には熱応力が発生する。このとき、線材１６の両端にはハンダ層２０，２２から力が作用し、これによって線材１６が撓む。このため、ハンダ層２０，２２に作用する熱応力が緩和される。
逆に、半導体装置が高温（１５０℃）の場合は、半導体素子１２の伸長量は小さく、電極板１８の伸長量は大きい。このため、図５に示すように、線材電極１４の各線材１６は下に拡がった形状となり、ハンダ層２０，２２には図４の場合と逆向きに熱応力が発生する。このときも、線材１６は、その両端には作用する力によって撓み、ハンダ層２０，２２に作用する熱応力を緩和する。
なお、線材電極１４の線材１６は、銅線であるため温度変化により伸縮するが、その伸縮方向はハンダ層２０，２２に対し略垂直となる。このため、線材１６の伸縮がハンダ層２０，２２の熱応力を助長しないようになっている。

図６，７は上述した半導体装置のハンダ層２０，２２に生じる熱応力と、熱抵抗についてＦＥＭ解析した計算結果をそれぞれ示している。熱応力の解析では、線材１６の線径を５０μｍとし、線材１６の線長を種々に変えて計算した。熱応力の評価は、低温時（−４０℃）の熱歪みと高温時（１５０℃）の熱歪みを算出し、その振幅で評価した。図６に示すように、線材１６の線長を長くするに伴い熱応力が低減されることが判明した。
一方、熱抵抗の解析では、線材１６の線径を５０μｍとし、線材１６の線長及び線材電極１４の線積率を種々に変えて計算した。図７に示すように、線材１６の線長が長くなるほど熱抵抗が大きくなり、また、線積率が大きくなるほど熱抵抗が小さくなった。

上述の説明から明らかなように、本実施形態の半導体装置は、半導体素子１２と電極板１８との間に線材電極１４を配設することで、熱応力の緩和を効果的に発揮することができる。また、線材電極１４の温度変化による変形は、ハンダ層２０，２２の熱応力を助長しないようになっている。このため、線材電極１４の材料として熱伝導率が高く、かつ、電気抵抗の小さな材料を用いることができる。したがって、本実施形態の半導体装置によれば、放熱性と通電性を犠牲にすることなく、ハンダ層２０，２２に生じる熱応力を緩和することができる。

なお、上述した半導体装置は、種々の方法で製造することができ、例えば、下記の方法で製造することができる。図８は線材電極１４の製造から電極板１８への接合までの手順を模式的に示す図である。まず、複数本の線材１６をその軸線方向が同一となるように束ね（図８（ａ））、次いで、束ねられた複数本の線材１６を樹脂（例えば、シリコンゴム等）２４により固める（図８（ｂ））。樹脂２４によって固められた棒材は所定の厚さに切り出されて線材電極とされる（図８（ｃ））。そして、その線材電極１４を公知の方法で電極板１８にハンダ接合する（図８（ｄ））。線材電極１４と半導体素子１２とのハンダ接合も、従来と同様に行うことができる。なお、複数本の線材１６を保持する樹脂２４が安定した物質である場合は除去する必要はない。上述した方法によると、線材電極１４を簡易に製造することができる。

また、上述した線材電極１４はフォトリソグラフィー技術を用いて製造することができる。例えば、図９に示すように、電極板１８の表面にレジスト液６４を塗布し、塗布したレジスト液６４に露光マスク６６を介して紫外線ランプ６０の光を露光する。露光マスク６６には、線材電極１４の線材配置パターンに応じた開口６６ａが設けられている。このため、電極板６２に塗布されたレジスト液６４は、露光マスク６６の開口６６ａに対応する部位にのみ光が照射され、その部位のレジスト液６４が硬化する。レジスト液６４への露光が終了すると、レジスト液６４を現像して未硬化部分を除去する。これによって、電極板１８上に所定パターンのレジスト膜が形成される。次いで、レジスト膜が形成された電極板１８をエッチング液内に入れる。電極板１８のレジスト膜で覆われている部分（レジスト液６４が硬化した部分）はエッチングされず、レジスト膜で覆われていない部分のみがエッチングされる。これによって、レジスト膜で覆われている部分に柱状体（線材電極の線材に相当）が形成される。すなわち、電極板１８上に線材電極が直接形成される。この方法によると、任意のパターンで線材が配置された線材電極や、任意の線径の線材電極（例えば、線材毎に線径を変えた線材電極）を製造することができる。

以上、本発明の好適な一実施形態について詳細に説明したが、これは例示に過ぎず、本発明は当業者の知識に基づいて種々の変更、改良を施した形態で実施することができる。
例えば、上述した実施形態では、線材電極を構成する各線材を線材電極の断面内に均一に配置したが、本発明の技術は、このような形態に限られない。例えば、線材電極の断面中心部には多くの線材を配置し、断面周縁部には中心部より少ない数の線材を配置するようにしてもよい。このような構成によると、周縁部では線材が変形しやすく大きな応力緩和作用を奏することができ、中心部では放熱性を向上することができる。また、線材電極の接合面の中心部に線径の大きな線材（ブロック材等）を配し、周縁部には線径の小さな線材を配するようにしてもよい。
なお、本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組み合わせによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時請求項記載の組み合わせに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数の目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

本実施形態に係る半導体装置の斜視図 図１に示す半導体装置を部材毎に分解して示す分解斜視図 半導体装置が常温（２０℃）の場合の半導体装置の状態を模式的に示す図 半導体装置が低温（−４０℃）の場合の半導体装置の状態を模式的に示す図 半導体装置が高温（１５０℃）の場合の半導体装置の状態を模式的に示す図 半導体装置に生じる熱応力をＦＥＭ解析した計算結果を示す図 半導体装置の熱抵抗についてＦＥＭ解析した計算結果を示す図 線材電極の製造から電極板への接合までの手順を模式的に示す図 線材電極の他の製造方法を説明するための図

符号の説明

１２・・電子素子
１４・・線材電極
１６・・線材
１８・・電極板
２０・・ハンダ層
２２・・ハンダ層

Claims (3)

1. 半導体素子と、半導体素子が搭載される導電層と、半導体素子と導電層との間に介装され、半導体素子と導電層とを接続する複数の導電性の線材とを備え、
   各線材は導電層表面に林立した状態となるようにその基端が導電層表面に接合されると共に、その先端に半導体素子の裏面が接合されていることを特徴とする半導体装置。
2. 隣接する線材間には隙間が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置。
3. 半導体素子と導電層とを接続する電極部材であって、複数の線材と、それら線材をその軸線方向が略同一となるように保持する保持部と、を備え、各線材の断面積が半導体素子の裏面の面積より小さくされていることを特徴とする電極部材。
   

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